DOW-UAP-D146: הנעת היתוך אל-נייטרוני, חלק II - שיטות כליאה, מדחפי לוויינים ומפת דרכים עד 2060

קובץ: DOW-UAP-D146_AAWSAP-DIRD-Aneutronic-Fusion-Propulsion-II-November-1-2010.pdf סוכנות מקור: סוכנות הביון הביטחונית של ארה"ב (DIA), חטיבת ההתרעה הטכנולוגית (DWO-4) במשרד ההתרעה הביטחונית (Defense Warning Office), במסגרת תוכנית AAWSAP סוג מסמך: מסמך ייחוס מודיעיני ביטחוני (Defense Intelligence Reference Document, DIRD), סדרת Defense Futures; מספר בקרה DIA-08-1011-004 תאריך: 1 בנובמבר 2010 (תאריך סגירת המידע, ICOD: 20 ביולי 2010) סיווג: UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL USE ONLY (הסייג FOUO מחוק בעותק המשוחרר; סימוני (U) בכותרת הפנימית ובפסקה אחת; פורסם לציבור ב-2026) מספר עמודים: 36 VIRIN: 260918-D-D0360-1135 שחרור PURSUE: 6

תקציר

זהו החלק השני מבין שני מסמכי DIRD בשחרור 6 הנושאים כותרת זהה, "Aneutronic Fusion Propulsion". שניהם מתוארכים ל-1 בנובמבר 2010 ולשניהם אותו תאריך סגירת מידע, 20 ביולי 2010, ומספרי הבקרה שלהם עוקבים: DIA-08-1011-003 לחלק I (DOW-UAP-D145) ו-DIA-08-1011-004 לחלק זה. אבל אלה שני חיבורים נפרדים. חלק I נכתב בידי מחבר יחיד, AAP Person 83; חלק II נכתב בידי שלושה מחברים, AAP Person 85, AAP Person 88 ו-AAP Person 89, ואף אחד מהם אינו מפנה לחיבור האחר.

ההבדל ניכר כבר במבנה. חלק I הוא ספר לימוד שמתחיל במשוואת הרקטה ומסתיים בגיליון חישוב למסע לפרוקסימה קנטאורי. חלק II הוא מסמך מערכות, עם דף "Summary" בפתח, שבעה פרקים והערות: סקירת מושג (פרק 1), פיזיקת פלזמת היתוך וארבע שיטות כליאה (פרק 2), כורים ומדחפים להנעה (פרק 3), יישומים לפי טווח, מהחלל הקרוב ועד הכוכבים (פרק 4), תוכניות מחקר קיימות בארה"ב, בעולם ובמגזר הפרטי (פרק 5), תחזית פיתוח בשלושה שלבים עד 2050 (פרק 6) ומסקנות (פרק 7). יש בו 20 איורים וחמש טבלאות, ו-20 הערות שוליים שרובן מפנות לכתבי עת ולכנסים מקצועיים.

המסקנה המרכזית מנוגדת לדמיון הפופולרי: היישום הראשון של היתוך אל-נייטרוני לא יהיה חללית בין-כוכבית אלא מדחף ללוויין תקשורת גדול. המסמך אינו מזכיר עב"מים או UAP.

מאמר מחקר

רף נמוך יותר מתחנת כוח

דף הסיכום פותח בהודאה: פיתוח אנרגיית היתוך מבוקרת נמשך 60 שנה, והמטרה, תחנות כוח על דלק דאוטריום-טריטיום, "has been eluded for both technical and economic reasons". אבל, טוענים המחברים, "the threshold for achieving success in applying fusion to propulsion is considerably relaxed" (הרף להצלחה ביישום היתוך להנעה נמוך בהרבה), במיוחד בלי טריטיום, שצריך לגדל ברציפות ושתגובותיו מייצרות נייטרונים מהירים. פרק 1 מוסיף את ההקשר ההיסטורי: כשלימן ספיצר המציא את הסטלרטור ב-1951, ציפו שיידרשו חמש שנים בלבד; ב-1983 רוברט בוסארד "גילה מחדש" את ה-Fusor שתיאר רוברט הירש בעבודת הדוקטורט שלו ב-1966, יחד עם הממציא פילו פרנסוורת'.

פרק 1 גם מגדיר מראש שלוש מסקנות שהמסמך יבסס: להנעה אל-נייטרונית עשויים להיות יישומים קרובים כתחליף למדחפי היונים של לוויינים, עם הרחבה לטיסה בין כוכבי הלכת; היא תדרוש פיתוח טכנולוגי נרחב לשימוש באוויר ובחלל הקרוב; והיא "will not be practical beyond the solar system" בלי פריצת דרך בפיזיקת ההנעה. המחברים מתלוננים גם שקהילת מדעי החלל עוסקת בבעיה מעט מדי, ושנושאים כמו שיגור, הרכבה בחלל וחומרים צריכים להיכנס לתכנון מוקדם.

פיזיקת הפלזמה וארבע שיטות הכליאה

פרק 2 מציג את הנתונים בשלוש טבלאות. טבלה 1 מונה את תגובות ההיתוך: D-T מפיקה 17.59 MeV, ובין "הדלקים המתקדמים" D-He3 מפיקה 18.35 MeV ו-p-B11 מפיקה 8.68 MeV בשלושה גרעיני הליום. טבלה 2 משווה את הספק ההיתוך להספק קרינת הבלימה (bremsstrahlung) בטמפרטורת התגובה המרבית: 140 ל-D-T, 5.3 ל-D-He3, אבל רק 0.57 ל-p-B11 ו-0.21 ל-p-Li6, כלומר בשתי האחרונות הפלזמה מאבדת בקרינה יותר ממה שההיתוך מפיק. טבלה 3 נותנת טמפרטורות הצתה: 13.6 keV ל-D-T, 58 ל-D-He3, 66 ל-p-Li6 ו-123 ל-p-B11. המסקנה מנוסחת במדויק: "While the ignition temperature is up to a factor of 10 higher for the aneutronic fusion reactions, the confinement power required for ignition will be one to two orders of magnitude greater". המחברים מגדירים גם את מקדם ההגבר Q: איזון הוא Q = 1, שימוש מעשי מחייב Q גדול מ-5, ותחנת כוח מחייבת Q גדול מ-30.

אחר כך באה סקירה של ארבע משפחות כליאה. כליאה מגנטית: מראות מגנטיות (איור 2 ממחיש זאת בשדה המגנטי של צדק), טוקמק וסטלרטור, בלחץ של כבר אחד וזמני כליאה של שניות עד דקות, אבל בקנה מידה של פלזמה ברדיוס 6 מטרים ובגובה 6 מטרים רק להדגמת הצתה. תצורה הפוכת שדה (FRC), אליפסואיד פלזמה שיוצר בעצמו את השדה הכולא, קטנה בהרבה אך חשופה לאי-יציבות "הטיה" שבה טבעת הפלזמה מתהפכת ומתפרקת. כליאה אינרציאלית: גלולות של כ-10 מיליגרם, ובמתקן NIF, 192 אלומות לייזר; הקושי המעשי לכור הוא לייצר ולדחוס עשר גלולות בשנייה. כליאה אלקטרוסטטית (IEC), כלומר ה-Fusor של פרנסוורת'-הירש: המחברים מציינים ביושר את הביקורת שלפיה בתצורה הפשוטה תפוקת אנרגיה נטו אינה אפשרית אלא ל-D-T, ומציגים חלופות בלי רשת קתודה, כמו ה-Polywell ומלכודת POPS שפותחה בלוס אלמוס. וכליאה מגנטו-אינרציאלית, ובה ניסוי ההיתוך במטרה ממוגנטת בלוס אלמוס (LANL) ומוקד הפלזמה הצפוף (DPF), שהמחברים מכנים "by far the simplest and least elaborate magnetic confinement concept to achieve aneutronic fusion ignition".

מכור להנעה: טונות ומגה-ואטים

פרק 3 מסביר מדוע כל מחקרי ההנעה מאז תחילת שנות ה-90 זנחו את D-T: מיגון כבד לנייטרונים של 14 MeV, בטיחות שיגור של טריטיום, והמורכבות של גידולו. נותרו D-He3 ו-p-B11. הפרק מביא מספרים מתכנונים שפורסמו. מחקר "מכונן" משנת 1993 העריך כור D-He3 של 968 מגה-ואט במסה של 112 טון, לעומת 999 טון לכור D-T מקביל. אופטימיזציה בתצורת FRC עם אלומות מתנגשות הקטינה זאת ל-33 טון שמפיקים 100 מגה-ואט, בתא באורך 7 מטרים ובקוטר 0.84 מטר, כשמחצית תוצרי ההיתוך מופנים להמרה ישירה לחשמל ומחציתם נפלטים כדחף (איור 9). כור DPF על דלק פרוטון-בורון, הקל מכולם, מוערך ב-16 טון, 800 מגה-ואט ודחף של כ-1,000 קילו-ניוטון בדחף סגולי של כ-1,300 שניות, בפולסים של 10 הרץ ומעלה (איור 10). ומטרה ממוגנטת עם פלזמואידים מתנגשים עשויה להגיע ל-20 טון ו-300 מגה-ואט.

בתוך האטמוספרה המספרים קורסים. אם את 800 המגה-ואט של כור ה-DPF ממירים לדחף דרך טורבינת גז, מתקבלים 15 ניוטון למגה-ואט, כלומר 1,224 קילוגרם דחף בלבד לכלי של 16,000 קילוגרם. יחס הדחף למשקל הכור יצטרך לעלות פי 50 עד 100. החלופה שנחקרה היא "מטוס חלל" משולב (איור 12): מנועים כימיים וצורכי אוויר עד מאך 7, הנעה צורכת אוויר עם הפקת חשמל MHD בין מאך 7 ל-14, והנעת היתוך ממאך 14 ועד המסלול, ב"2025 time period" לפי האיור. המשך הפרק סוקר את משפחות ההנעה החשמלית שההיתוך עשוי לשפר: מדחפי יונים ברשת, מדחפי Hall (כ-1,500 שניות, עד כ-3 ניוטון), מדחפים מגנטו-פלזמה-דינמיים, מדחף ה-helicon של סוכנות החלל האירופית ו-VASIMR, שמנוע ה-VX-200 שלו, 200 קילו-ואט וכ-300 ק"ג, עמד להיבחן בתחנת החלל.

יישומים לפי טווח: מלוויין עד כוכב

פרק 4 הוא החלק שהופך את המסמך למסמך מערכות, והוא גם החלק היחיד שבו מופיע מסגור צבאי מפורש. בחלל הקרוב, המדחפים לא יוכלו להרים כלי מן הקרקע, אבל כלי במסלול יוכל "to dip down and maneuver in the atmosphere and return to orbit", כל עוד אינו מאט מתחת למאך 14. המחברים מונים שלוש משימות אפשריות: התחמקות מאיום נגד לוויינים, סיור בלתי צפוי של מטרות על הקרקע או בחלל, ו"נטרול" בלתי צפוי של מטרות כאלה, ומוסיפים ש"the details of such applications will be the subject of separate studies".

במסלול סביב כדור הארץ נמצא היישום הקרוב. מדחפי Hall של NASA פועלים ב-6.4 עד 72.5 קילו-ואט ומפיקים 0.3 עד 2.5 ניוטון; מערכת של 4.5 קילו-ואט של Aerojet ו-Lockheed Martin, שהפיקה 244 מיליניוטון בדחף סגולי של 1,981 שניות, טסה ב-2010 על לווייני תקשורת ומעקב צבאיים. לוויינים עתידיים בהספק שידור של 20 עד 50 קילו-ואט ידרשו יותר דחף לכל קילו-ואט, וזה המניע לפיתוח. המועמד הוא "מדחף סילון IEC" כדורי (איור 13), שאמור להפיק 35 מיליניוטון ב-750 ואט, דחף סגולי של 3,000 שניות ו-45 מיליניוטון לקילו-ואט; תוספת אלומת יונים של 150 קילו-ואט שתחמם פלזמת פרוטון-בורון קרוב להצתה (Q בערך 1) אמורה להעלות את הדחף הסגולי מעל 5,000 שניות.

בין כוכבי הלכת נדרש הספק סגולי של לפחות קילו-ואט לקילוגרם במהירות פליטה של 100 אלף עד מיליון מטר לשנייה, ואיור 14 משווה משימת כדור הארץ-מאדים בדלק כימי, גרעיני תרמי והיתוך. ולכוכבים: הזזת כלי בגודל מעבורת חלל (100 טון) לאלפא קנטאורי תדרוש לפי חישוב המחברים אנרגיה השקולה למסה של מיליון קילוגרם. ה"רמג'ט" של בוסארד משנת 1960, שאמור היה לאסוף מימן בין-כוכבי בשדה מגנטי (איור 16), מוגדר "unlikely to be realized".

הכסף, התוכניות ומפת הדרכים

פרק 5 מספק תמונת מצב מספרית מ-2010. תקציב משרד האנרגיה האמריקאי להיתוך בשנת הכספים 2010 היה 421 מיליון דולר, יותר ממחציתו לטוקמקים, ורק כ-20 מיליון דולר לתפיסות מתקדמות ולפיזיקת פלזמה בצפיפות אנרגיה גבוהה; 135 מיליון דולר הועברו ל-ITER. על ITER נכתב שמועד ההפעלה נדחה מ-2002 ל-2020 בעלות של 20 מיליארד דולר, ולאחר צמצום ל-2025 בעלות של 25 מיליארד, ושנדרשים לו 36 ק"ג טריטיום לתדלוק הראשוני. המחברים משווים זאת לכור ביקוע מסוג ESBWR של GE, בעלות של כ-3 מיליארד דולר ל-1.2 ג'יגה-ואט חשמלי, וקובעים: "It is clear that a tokamak power plant could not compete with the fission plant at current market energy prices". טבלה 4 מונה חמש חברות פרטיות ואת מימונן: Lawrenceville Plasma Physics (DPF, פרוטון-בורון, 4 מיליון דולר), Electron Power Systems (6 מיליון), General Fusion (10 מיליון), EMC2 עם ה-Polywell (11 מיליון, ונדרשים 100 מיליון) ו-TriAlpha (FRC מחומם באלומות, 50 מיליון, ונדרשים 100 מיליון). לדברי המחברים, ל-Lawrenceville ול-TriAlpha הוצגו תפיסות של מערכות הנעה אל-נייטרוניות קלות משקל.

פרק 6 מחלק את העתיד לשלושה שלבים: 2010 עד 2020, מינוף הפיתוח הפרטי של DPF, FRC ו-IEC ומדחף ה-IEC כמחליף קרוב למדחפי Hall; 2020 עד 2030, תכנון הנדסי וניסויים קרקעיים, כולל מוליכי-על בטמפרטורה גבוהה שיחליפו את Nb3SnCu ו-NbTi; ו-2030 עד 2050, שילוב בפלטפורמות וניסויי טיסה של אב-טיפוס. טבלה 5 מונה תשע טכנולוגיות תומכות, מכלי פלזמה עמידי חום ועד אחסון דלק. מפת הדרכים באיור 20 מציבה ברצף הדגמת פיזיקה, פיתוח טכנולוגי, הדגמה קרקעית, הדגמת טיסה ולבסוף "Manned Mission" בקצה הציר, סביב 2060, בתנאי ש"success criteria" כמו בטא פלזמה גדולה מ-1, הצתה, הצתה מתמשכת ומאזן הספק יתמלאו.

משמעות

המסמך משרת בעיקר את תחום ההנעה (propulsion) ואת תחום ייצור ההספק (power generation) מבין שנים-עשר התחומים הטכניים של AAWSAP, דרך ההמרה הישירה של אנרגיית חלקיקים לחשמל. בזכות פרק 4 הוא גם אחד המסמכים בסדרה שמתייחסים ישירות להקשר של "מערכת נשק": התחמקות מנשק נגד לוויינים, סיור ונטרול מטרות, ומדחפים שכבר טסו על לוויינים צבאיים.

הקריאה בו לצד חלק I מועילה. D145 הוא ספר לימוד של מחבר יחיד, שנשען בחלקו על מקורות מקוונים, מסיים בגיליון חישוב לפרוקסימה קנטאורי ומעדיף בסופו את האנטי-חומר. D146 נשען על ספרות מקצועית, מתמקד בשיטות כליאה ובמסות ובהספקים של כורים, ומציב את הלוויין כיעד הראשון. גם בנקודה טכנית אחת הם נבדלים: D145 מציג ערכי "קריטריון לוסון" שלפיהם פרוטון-בורון נראה קל להצתה מ-D-T, ואילו טבלה 3 כאן מראה את התמונה המקובלת, 123 keV ל-p-B11 לעומת 13.6 ל-D-T. על בוסארד, שני המסמכים מזכירים את EMC2, אבל D146 פוסל את ה"רמג'ט" שלו ומדגיש דווקא את Lawrenceville ו-TriAlpha.

המסמך אינו מזכיר עב"מים, UAP או תצפיות. משפט הסיום שלו מבהיר את הטון: "The future needs to be focused more on science and engineering and less on science fiction".

אנשים מרכזיים

מקומות

מושגי מפתח

ציטוטים בולטים

"However, the threshold for achieving success in applying fusion to propulsion is considerably relaxed, especially if fuels are used that do not use tritium." (עם זאת, הרף להצלחה ביישום היתוך להנעה נמוך בהרבה, במיוחד אם משתמשים בדלקים שאינם כוללים טריטיום.) -- עמוד 5

"When Lyman Spitzer invented the Stellarator in 1951, it was expected to take only 5 years of concentrated plasma physics experiments to harness the fusion of hydrogen ions confined by magnetic fields." (כשלימן ספיצר המציא את הסטלרטור ב-1951, ציפו שיידרשו רק חמש שנים של ניסויים מרוכזים בפיזיקת פלזמה כדי לרתום את ההיתוך של יוני מימן הכלואים בשדות מגנטיים.) -- עמוד 6

"While the ignition temperature is up to a factor of 10 higher for the aneutronic fusion reactions, the confinement power required for ignition will be one to two orders of magnitude greater." (בעוד שטמפרטורת ההצתה גבוהה עד פי עשרה בתגובות ההיתוך האל-נייטרוניות, הספק הכליאה הנדרש להצתה יהיה גדול בסדר גודל אחד עד שניים.) -- עמוד 9

"In fact, any vehicle in orbit could benefit from such a propulsion device to dip down and maneuver in the atmosphere and return to orbit with the aid of fusion propulsion as long as it does not slow below Mach 14." (למעשה, כל כלי במסלול יוכל להפיק תועלת ממתקן הנעה כזה כדי לצלול, לתמרן באטמוספרה ולחזור למסלול בעזרת הנעת היתוך, כל עוד אינו מאט מתחת למאך 14.) -- עמוד 22

"It is clear that a tokamak power plant could not compete with the fission plant at current market energy prices." (ברור שתחנת כוח מבוססת טוקמק לא תוכל להתחרות בתחנת ביקוע במחירי האנרגיה הנוכחיים בשוק.) -- עמוד 27

"Pulsed-powered DPF or IEC aneutronic fusion thrusters may have near-term applications to replace current satellite ion thrusters." (מדחפי היתוך אל-נייטרוני מסוג DPF או IEC המופעלים בפולסים עשויים למצוא יישומים בטווח הקרוב כתחליף למדחפי היונים הנוכחיים של לוויינים.) -- עמוד 35

"Aneutronic fusion propulsion will not be practical beyond the solar system unless breakthrough propulsion physics is developed that can assist the flight to the next stellar system where fusion thrusters can then be used." (הנעת היתוך אל-נייטרוני לא תהיה מעשית מחוץ למערכת השמש, אלא אם תפותח פיזיקת הנעה פורצת דרך שתסייע בטיסה אל מערכת הכוכבים הבאה, שבה ניתן יהיה להשתמש אז במדחפי היתוך.) -- עמוד 35

"The future needs to be focused more on science and engineering and less on science fiction." (העתיד צריך להתמקד יותר במדע ובהנדסה ופחות במדע בדיוני.) -- עמוד 35